楚恒林,李獻球

（北京環(huán)球信息中心,北京 100094）

0 引言

1990年以來衛(wèi)星通信等業(yè)務迅速發(fā)展,而地面空間有意或無意的干擾對系統(tǒng)的威脅也日益增加。據(jù)歐洲電信衛(wèi)星組織（EUTELSAT）的有關報告,每年都會出現(xiàn)數(shù)百次衛(wèi)星系統(tǒng)受干擾事件。從我國衛(wèi)星系統(tǒng)的實際應用來看,人為干擾事件也時有發(fā)生。為了避開干擾,一方面要對空間頻率資源進行合理劃分和有效保護;同時也要采取迅速而有效的措施來監(jiān)測定位干擾信號。

面對越來越多的干擾事件,以及對接收機及衛(wèi)星的直接攻擊和干擾,必須研究對衛(wèi)星和接收機干擾的監(jiān)測和定位技術,同時星載干擾監(jiān)測與定位技術是勢之所趨。

1 干擾源監(jiān)測與定位技術

1.1 干擾監(jiān)測技術

常規(guī)的干擾監(jiān)測與定位只是一個局部系統(tǒng),應該建立一個一體化的干擾監(jiān)測與定位技術,既可以實現(xiàn)對于衛(wèi)星信號干擾的監(jiān)測與定位,也可以實現(xiàn)對地面用戶的干擾監(jiān)測與定位。干擾監(jiān)測與定位設備有機載設備、車載設備和地面設備。

地面干擾監(jiān)測設備由地面干擾監(jiān)測設備和衛(wèi)星信號監(jiān)測設備組成。主要包括:干擾監(jiān)測測向天線、定向接收天線、干擾信號監(jiān)測接收模塊、衛(wèi)星信號監(jiān)測接收模塊等。地面干擾監(jiān)測設備如圖1所示。

圖1 地面干擾監(jiān)測設備組成示意圖

地面固定監(jiān)測與車載式監(jiān)測,二者的工作模式有一定的區(qū)別。

車載干擾監(jiān)測主要組成示意圖如圖2所示,車輛頂端安裝一個多陣元天線陣,每個天線陣元的射頻信號下變頻到中頻,然后進行A/D采樣。從A/D出來的數(shù)字信號再經(jīng)過帶通濾波和下采樣,最后信號經(jīng)過一個實時的自適應數(shù)字波束形成器。為了保證天線陣各個方位角的角分辨率,可以選擇圓形天線陣,一個陣元位于圓心,其余天線陣元均勻分布圓上,為了保證DOA的估計精度,天線間隔應該盡量大。

圖2 車載干擾監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

在波束形成之前,利用從天線通道提取的原始信號可以估算出干擾信號的到達方向（DOA）。因此,只要估計出干擾源在天線陣不同位置的DOA值,然后由三角測量法就可以估計出干擾源的位置。

1.2 干擾源定位技術

對干擾源的定位,一般要給出干擾源的三維參數(shù):方位角、距離、離地高度。

目前干擾源定位技術主要包括:基于信號到達時間差（TDOA）定位技術,即測時差定位;基于信號到達角（AOA）定位技術,即測向定位;基于信號到達頻率差（FDOA）定位技術。圖3非常直觀地給出了這3種干擾源定位技術的區(qū)別與聯(lián)系。在具體實現(xiàn)時,通常選擇幾種技術相結(jié)合的方式,以取長補短獲得更好的性能。如TDOA與FDOA相結(jié)合,可以彌補TDOA對運動干擾源定位時間的滯后性。三角測量法與弧線相交法相結(jié)合,可以有效地克服DF系統(tǒng)誤差及數(shù)據(jù)隨機誤差的影響,達到較高的精度。

圖3 干擾源定位技術分類

2 干擾轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號的監(jiān)測與定位

2.1 基于地面對衛(wèi)星干擾信號的監(jiān)測與定位技術

與地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一樣,對衛(wèi)星網(wǎng)絡干擾信號的監(jiān)測與定位技術主要有2種:①基于信號到達時間差（TDOA）定位技術,即測時差定位;②基于信號到達角（AOA）定位技術,即測向定位。

到達時間差（TDOA）干擾源定位技術目前已經(jīng)在民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應用。到達時間差定位也稱為雙曲線（面）定位,它是通過處理信號到達多個接收站之間的時間差來確定目標位置,從幾何意義上理解是從多個等值測量的定位雙曲線（面）來尋找其交點。TDOA定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛(wèi)星相互配合來實現(xiàn),其中一顆為受干擾衛(wèi)星,另一顆輔助衛(wèi)星是可以利用的鄰近衛(wèi)星,如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星干擾源定位原理

在三維空間坐標系中,利用2顆衛(wèi)星接收干擾信號的TDOA定位方法只能夠確定干擾源所在一條雙曲線,而無法確定干擾源的確切位置點,這就是TDOA定位的模糊問題。為了精確測量干擾源的空間位置,還必須采取輔助測量措施。例如利用到達頻率差（FDOA）測量信息,或采用干涉方法解模糊等。在實際應用中,地面干擾信號泄漏至相鄰衛(wèi)星的功率往往是十分微弱的,比正常接收信號電平一般要低30～40dB,采用傳統(tǒng)的信號檢測方法是無法檢測的,因此地面監(jiān)控站需要采用弱信號相關檢測等高靈敏度接收技術,至少具有60dB以上的處理增益。

測向定位是最早出現(xiàn)且廣泛應用的一種定位方法。對處于中、低軌道衛(wèi)星,由于能夠利用星地之間的相對運動信息,實現(xiàn)測向定位要相對容易些。但對于地球同步軌道衛(wèi)星,上述連續(xù)測向方法就不再適用了。結(jié)合衛(wèi)星天線多波束特性來測定干擾源的空間位置,是近年來衛(wèi)星干擾源技術的一個發(fā)展方向。日本通信綜合研究所（CRL）的研究人員通過工程試驗衛(wèi)星ETS-VI的S波段多波束相控陣天線進行了干擾源定位實驗,其定位方法為單脈沖比幅測量;同時他們還進一步研究了用于抑制干擾信號的自適應波束形成技術。

測時差定位技術的優(yōu)點是對整個衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運行影響較小,但它要求2顆衛(wèi)星能同時接收到干擾信號電平,否則就無法正常測得干擾源位置。測向定位技術無需其他衛(wèi)星協(xié)助,僅利用受干擾衛(wèi)星就可以實現(xiàn)對干擾源的定位。但傳統(tǒng)測向方法（如最大信號法等）的定位精度較低,應用范圍受到限制。以陣列信號處理為基礎的空間譜估計技術（如最大似然估計法、特征分解方法以及熵譜估計法等）突破了瑞利極限,具有很高的估計精度和空間分辨性能,可同時對多個輻射源進行定位。但其在進行方位搜索時需要巨大的計算量,且天線模型誤差及天線指向誤差對定位精度影響較大。

2.2 星載干擾源監(jiān)測與定位技術

衛(wèi)星干擾源定位是地面干擾源定位技術在衛(wèi)星領域的應用,但有別于地面干擾源定位技術。

首先,定位設備的載體不同,地面干擾源監(jiān)測與定位系統(tǒng)可以是車載的,也可以是固定站;而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次,二者側(cè)重點不同,多徑效應的影響是地面干擾監(jiān)測與定位要解決的重點問題之一,而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則無需考慮。三是所采用的天線形式不同,地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一般用無方向性天線組成天線陣來進行測向,而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一般采用多波束天線,前者假設各天線陣子接收到的信號是等幅的,它利用信號入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進行測向,而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號相位差的影響,它是利用各波束接收到的信號幅度不同進行測向定位。

以空間譜估計原理為基礎的先進測向技術可以有效解決密集信號環(huán)境中多個輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題。

衛(wèi)星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計方法有最大似然估計法、模型參量法以及特征分解法等。其中,以MUSIC算法為代表的特征分解方法自提出以來一直受到人們的高度重視,至今仍代表空間譜估計技術發(fā)展的主流方向。其理論基礎是利用陣列采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣,在構造（偽）譜函數(shù)時引入信號子空間及噪聲子空間的概念,并充分利用兩者之間的正交性進行輻射源的到達方向（DOA）估計。與常規(guī)波束形成方法不同的是,特征分解方法可以突破天線瑞利極限的限制,實現(xiàn)方位角/俯仰角的二維參數(shù)估計,具有極高的估計精度和超分辨率等優(yōu)異性能。

3 地面接收機干擾監(jiān)測與定位技術

對地面接收機的干擾監(jiān)測與定位利用車載移動干擾監(jiān)測設備實現(xiàn)。如圖5所示,A設備接收干擾信號,轉(zhuǎn)發(fā)給B設備,B設備既接收干擾信號進行參數(shù)估計,同時也要接收A設備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號,然后經(jīng)過處理,得出干擾源位置。

圖5 TDOA定位

對地面接收機的干擾監(jiān)測與定位前提條件是:

①干擾源位于地表,高度忽略;②單個干擾源;③干擾源靜止;④干擾信號為調(diào)制信號,頻段固定;⑤干擾源與干擾監(jiān)測設備之間無遮擋。

3.1 TDOA技術

工作流程:A設備2個、B設備1個。2個A設備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設備,由B設備解算得到干擾源位置。

需考慮的因素——（減小誤差,提高定位精度）為3個設備的相對位置關系及其自身位置的精度。

定位設備:參數(shù)估計方法及參數(shù)估計的精度;已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度、時間精度。

3.2 TDOA+FDOA技術

工作流程:A設備、B設備各需要1個。A設備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設備。B設備接收A設備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號;接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號;然后,使B設備按一定的速度運動,對信號進行處理,得到多普勒頻移。通過對3組信號進行處理,得到干擾源的位置。

需考慮的因素為:

①3個設備的位置關系;②B設備運動時速度、方向;③3個設備自身位置的精度。

定位設備:參數(shù)估計方法及參數(shù)估計的精度;已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度;設備時間精度;信號轉(zhuǎn)發(fā)時頻率精度。

以上2種方案適合地面車輛上安裝定位設備來實現(xiàn)。

3.3 AOA技術

工作流程:A設備、B設備各1個。A設備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設備。B設備接收A設備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號;接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號;然后,通過測向儀（DF）測出干擾源所在的方向,兩個不同的AOA線取交點就得到了干擾源的位置。

需考慮的因素:2個設備的位置關系以及自身位置的精度。定位設備:DF測向精度、天線的增益方向圖等參數(shù)隨頻率的變化;A種設備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度。

4 結(jié)束語

在干擾監(jiān)測與定位信號處理時,可針對干擾信號的不同類型建立相應模型,引入置信區(qū)間,置信水平等參數(shù),將干擾源位置以一定的概率限定在一定區(qū)域內(nèi)。

干擾源進行自主監(jiān)測和快速定位,可以對干擾源的信號進行打擊,但同時需要采取主動防御措施,如用戶機和衛(wèi)星接收機采取自適應濾波和調(diào)零天線等抗干擾技術。因此,干擾監(jiān)測定位與抗干擾技術是衛(wèi)星系統(tǒng)十分重要的防護需求,在對干擾的認識和抗干擾技術方面,還有許多問題需要深入研究。

[1]周鴻順.衛(wèi)星干擾源的定位技術和手段[J].中國無線電管理,2001（7）:32-33.

[2]WEISS A J,WEINSTEIN E.Fundamental Limitations in Passive Time Delay Estimation-Part I:Narrow-BandSystems[J].IEEE Trans.n Acoust.,Speech,Signal Processing,1983,31（2）:472-485.

[3]GEYER M,FRAZIER R.FAA GPS R FI Mitigation Program.[S].ION GPS.99:107-113.

[4]FALCONE K.Use of Anti-Jam Equipment in Location of Interference Sources.[S].ION GPS Sept.2001.

[5]岳炳良,王坤.衛(wèi)星通信對抗初探[J].現(xiàn)代軍事通信,2001,9（4）:31-36.

[6]戴雪揚,徐輝.衛(wèi)星干擾監(jiān)測技術的研究[J].計算機測試與控制,2005,13（12）:1305-1307.